JP7741971B2 - Battery control device and battery control method - Google Patents
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Description
本発明は、電池制御装置及び電池制御方法に関する。 The present invention relates to a battery control device and a battery control method.
電気自動車(EV)やプラグインハイブリッド自動車(PHEV)、ハイブリッド自動車(HEV)等の電動車両に搭載する電動車両システムには、電池の性能を最大限に引き出すために、電池の電圧や温度、電流を検出し、これらに基づいて電池の充電状態(State of Charge:SOC)、劣化状態(State of Health:SOH)や電池の入出力可能な電力(以下、入出力可能電力)を演算する電池制御装置を備えている。 In order to maximize battery performance, electric vehicle systems installed in electric vehicles such as electric vehicles (EVs), plug-in hybrid vehicles (PHEVs), and hybrid vehicles (HEVs) are equipped with a battery control device that detects battery voltage, temperature, and current and, based on these, calculates the battery's state of charge (SOC), state of health (SOH), and the battery's available input and output power (hereinafter referred to as available input and output power).
電池の入出力可能電力は、電池の上限もしくは下限電圧と電池の内部抵抗を用いて、電池電圧が上下限電圧を逸脱しない範囲で入力及び出力が可能な最大の電力として演算される。電池電圧が上下限電圧を逸脱しない範囲で制御することで、電池の電圧が急峻に変化する大電流領域での使用を避けて、電池の劣化を抑制することができる。 The battery's input and output power is calculated using the battery's upper or lower voltage limit and the battery's internal resistance as the maximum power that can be input and output within the range in which the battery voltage does not deviate from the upper or lower voltage limits. By controlling the battery voltage within the range in which it does not deviate from the upper or lower voltage limits, it is possible to avoid use in high current ranges where the battery voltage changes sharply, and to suppress battery degradation.
大電流領域で電池電圧が急峻に変化する理由は、例えば、二次電池として一般的なリチウムイオン電池を用いた場合、電極と電解質との界面付近に形成される拡散層においてリチウムイオンの濃度勾配が発生することで、大電流通電時には電解質から電極へとリチウムイオンを供給するのに大きな過電圧が必要となるからである。従って、大電流領域での電池の使用を避けるためには、充放電に伴って様々に変化する電極と電解質との界面付近の拡散層でのリチウムイオン濃度勾配に応じて、電池制御装置が上限電流値を適切に定めることが望ましい。The reason battery voltage changes abruptly in the high-current region is that, for example, when a typical lithium-ion battery is used as a secondary battery, a lithium ion concentration gradient occurs in the diffusion layer formed near the interface between the electrode and electrolyte, requiring a large overvoltage to supply lithium ions from the electrolyte to the electrode when a large current is passing through. Therefore, to avoid using the battery in the high-current region, it is desirable for the battery control device to appropriately set the upper current limit value in accordance with the lithium ion concentration gradient in the diffusion layer near the interface between the electrode and electrolyte, which changes variously with charging and discharging.
電解質のイオン濃度を考慮した二次電池の電流制限方法に関して、特許文献1に記載の技術が知られている。 The technology described in Patent Document 1 is known regarding a method for limiting the current of a secondary battery that takes into account the ion concentration of the electrolyte.
特許文献1に代表される従来の技術では、電極と電解質との界面付近に形成される拡散層におけるイオン濃度勾配を考慮していないため、上記したような大電流領域での電池電圧の急峻な変化を考慮した上限電流値を設定することができない。 Conventional technologies, such as those described in Patent Document 1, do not take into account the ion concentration gradient in the diffusion layer formed near the interface between the electrode and the electrolyte, and therefore are unable to set an upper limit current value that takes into account the sudden changes in battery voltage in the high current region described above.
例えば、大電流の連続的な充電、もしくは、放電時には、電池の電極近傍のリチウムイオン減少に伴い、内部抵抗が上昇するが、このような挙動を正確にモデル化することは困難である。電圧の等価回路モデルで再現できないような領域で電池が充放電されている状態では、電池の内部抵抗に演算誤差が生じるため、結果として、入出力可能電力を正確に演算することができず、入出力可能電力に従って、電池を充放電させているにも関わらず、電池の電圧が上下限電圧を逸脱してしまう可能性があった。For example, during continuous high-current charging or discharging, the internal resistance increases as the lithium ions near the battery electrodes decrease, but it is difficult to accurately model this behavior. When a battery is charged or discharged in a range that cannot be reproduced by a voltage equivalent circuit model, calculation errors occur in the battery's internal resistance. As a result, the available input/output power cannot be calculated accurately, and even if the battery is charged or discharged according to the available input/output power, the battery voltage may deviate from the upper or lower voltage limits.
本発明の目的は、電池の入出力可能電力の演算精度を向上することにある。 The object of the present invention is to improve the calculation accuracy of the battery's available input and output power.
上記課題を解決するために、本発明では、二次電池に関する測定値から求めた前記二次電池の状態と、前記二次電池に関するモデルを用いて演算した前記二次電池の状態との乖離に基づいて、補正係数を求める補正係数演算部と、前記補正係数による補正を適用して前記二次電池の入出力可能な電力に関する値を演算する電力制限値演算部とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problem, the present invention is characterized by comprising a correction coefficient calculation unit that calculates a correction coefficient based on the discrepancy between the state of the secondary battery determined from measured values related to the secondary battery and the state of the secondary battery calculated using a model related to the secondary battery, and a power limit value calculation unit that calculates a value related to the power that can be input and output to the secondary battery by applying correction using the correction coefficient.
本発明によれば、電池の入出力可能電力を精度よく求めることができる。 According to the present invention, the battery's available input and output power can be accurately determined.
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 An embodiment of the present invention will be described based on the drawings.
以下に説明する実施例では、ハイブリッド自動車(HEV)の電源を構成する蓄電装置に対して適用した場合を例に挙げて説明する。 In the embodiment described below, we will explain the application to an energy storage device that forms the power source for a hybrid electric vehicle (HEV).
以下に説明する実施例の構成は、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)、電気自動車(EV)などの乗用車やハイブリッド鉄道車両といった産業用車両の電源を構成する蓄電装置の蓄電器制御回路にも適用できる。 The configuration of the embodiment described below can also be applied to a storage battery control circuit of a storage device that forms the power source for passenger cars such as plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) and electric vehicles (EVs), and industrial vehicles such as hybrid railway vehicles.
以下に説明する実施例では、蓄電部を構成する蓄電器にリチウムイオン電池を適用した場合を例に挙げて説明する。蓄電器としては、他にもニッケル水素電池や鉛電池、電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタなどを用いることもできる。In the following examples, we will use lithium-ion batteries as the capacitors that make up the power storage unit. Other types of capacitors that can be used include nickel-metal hydride batteries, lead batteries, electric double-layer capacitors, and hybrid capacitors.
本発明の第1実施例を図1から図14に基づいて説明する。 The first embodiment of the present invention will be described based on Figures 1 to 14.
図1に本実施例におけるハイブリッド自動車の電動システムの構成例を示す。本実施例における電動システムは、バッテリ100とバッテリ100にリレー300、310を介して、インバータ400、モータ410と接続される。車両制御部200は、バッテリ100のSOCを始めとする情報とインバータ400、モータ410からの情報や、エンジン(図示しない)の情報をもとに駆動力の配分等を決定する。 Figure 1 shows an example configuration of an electric system for a hybrid vehicle in this embodiment. The electric system in this embodiment is connected to a battery 100, an inverter 400, and a motor 410 via relays 300 and 310. A vehicle control unit 200 determines the distribution of driving force, etc., based on information including the SOC of the battery 100, information from the inverter 400 and motor 410, and information from the engine (not shown).
バッテリ100の構成について説明する。バッテリ100は、組電池110と、単電池管理部120と、電流検知部130と、電圧検知部140と、組電池制御部150と、記憶部180とを有する。組電池110は、複数の単電池111から構成される。単電池管理部120は、単電池111の状態を監視する。電流検知部130は、バッテリ100に流れる電流を検知する。電圧検知部140は、組電池110の総電圧を検知する。組電池制御部150は、組電池110の制御を行う。記憶部180は、組電池110、単電池111、単電池群112の電池特性に関する情報を格納する。組電池制御部150は、単電池111の電池電圧及び温度、バッテリに流れる電流値、組電池110の総電圧値、単電池111の診断結果、異常信号が入力される。単電池111の電池電圧及び温度は、単電池管理部120から送信される。バッテリに流れる電流値は、電流検知部130から送信される。組電池110の総電圧値は、電圧検知部140から送信される。単電池111の診断結果は、過充電もしくは過放電であるかを示す。異常信号は、単電池管理部120に通信エラーが発生した場合に出力される。組電池制御部150は、入力された情報をもとに組電池110の状態検知などを行う。また、組電池制御部150が行う処理の結果は、単電池管理部120や車両制御部200に送信される。 The configuration of the battery 100 will be described. The battery 100 has a battery pack 110, a cell management unit 120, a current detection unit 130, a voltage detection unit 140, a battery pack control unit 150, and a memory unit 180. The battery pack 110 is composed of multiple cells 111. The cell management unit 120 monitors the status of the cells 111. The current detection unit 130 detects the current flowing through the battery 100. The voltage detection unit 140 detects the total voltage of the battery pack 110. The battery pack control unit 150 controls the battery pack 110. The memory unit 180 stores information regarding the battery characteristics of the battery pack 110, the cells 111, and the cell group 112. The battery pack control unit 150 receives the battery voltage and temperature of the cells 111, the current flowing through the battery, the total voltage of the battery pack 110, diagnostic results for the cells 111, and abnormality signals. The battery voltage and temperature of the battery 111 are transmitted from the battery management unit 120. The current value flowing through the battery is transmitted from the current detection unit 130. The total voltage value of the battery pack 110 is transmitted from the voltage detection unit 140. The diagnosis result of the battery 111 indicates whether it is overcharged or overdischarged. An abnormality signal is output when a communication error occurs in the battery management unit 120. The battery pack control unit 150 detects the state of the battery pack 110 based on the input information. The results of processing performed by the battery pack control unit 150 are transmitted to the battery management unit 120 and the vehicle control unit 200.
組電池110は、電気エネルギーの蓄積及び放出(直流電力の充放電)が可能な複数の単電池111(リチウムイオン電池)を電気的に直列に接続して構成される。1つの単電池111は、出力電圧が3.0~4.2V(平均出力電圧:3.6V)であり、単電池111のOCVとSOCには図6に示すような相関関係があるとした場合を例に挙げて説明するが、これ以外の電圧仕様のものでも構わない。 The battery pack 110 is composed of multiple cells 111 (lithium ion batteries) electrically connected in series, each capable of storing and discharging electrical energy (charging and discharging DC power). The output voltage of each cell 111 is 3.0 to 4.2 V (average output voltage: 3.6 V), and the OCV and SOC of each cell 111 are assumed to have the correlation shown in Figure 6. However, other voltage specifications are also acceptable.
組電池110を構成する単電池111は、状態の管理・制御を行う上で、所定の単位数にグループ分けが行われている。グループ分けされた単電池111は、電気的に直列に接続され、単電池群112を構成する。所定の単位数は、例えば1個、4個、6個・・・というように、等区分とする場合もあれば、4個と6個とを組み合わせる、というように、複合区分とする場合もある。 The cells 111 that make up the battery pack 110 are grouped into a predetermined number of units for status management and control. The grouped cells 111 are electrically connected in series to form a cell group 112. The predetermined number of units may be equal, for example, 1, 4, 6, etc., or may be a composite number, such as a combination of 4 and 6.
組電池110を構成する単電池111の状態を監視する単電池管理部120は、複数の単電池制御部121から構成されており、上記のようにグループ分けされた単電池群112に対して1つの単電池制御部121が割り当てられている。単電池制御部121は割り当てられた単電池群112からの電力を受けて動作し、単電池群112を構成する単電池111の電池電圧や温度を監視する。図1では、単電池群112aと112bに対応して、単電池制御部121aと121bが設けられた構成となっている。本実施例では、説明を簡単にするために、単電池群112は、4個の単電池111が電気的に直列に接続された構成であるものとし、さらに、4個の単電池111を1つの単電池制御部121が監視する構成とした。The cell management unit 120, which monitors the status of the cells 111 that make up the battery pack 110, is composed of multiple cell control units 121, with one cell control unit 121 assigned to each of the cell groups 112 grouped as described above. The cell control unit 121 operates by receiving power from the assigned cell group 112 and monitors the battery voltage and temperature of the cells 111 that make up the cell group 112. In FIG. 1, cell control units 121a and 121b are provided corresponding to cell groups 112a and 112b. In this embodiment, for simplicity, the cell group 112 is configured with four cells 111 electrically connected in series, and one cell control unit 121 monitors the four cells 111.
図2は、単電池制御部121の回路構成を示す図である。単電池制御部121は、電圧検出回路122、制御回路123、信号入出力回路124、温度検知部125を備える。電圧検出回路122は、各単電池111の端子間電圧を測定する。温度検知部125は、単電池群112の温度を測定する。制御回路123は、電圧検出回路122及び温度検知部125からの測定結果を受け取り、信号入出力回路124を介して組電池制御部150に送信する。尚、単電池制御部121に一般的に実装される、自己放電や消費電流ばらつき等に伴い発生する単電池111間の電圧やSOCばらつきを均等化する回路構成は、任意の既存技術を用いればよい。 Figure 2 is a diagram showing the circuit configuration of the cell control unit 121. The cell control unit 121 includes a voltage detection circuit 122, a control circuit 123, a signal input/output circuit 124, and a temperature detection unit 125. The voltage detection circuit 122 measures the terminal voltage of each cell 111. The temperature detection unit 125 measures the temperature of the cell group 112. The control circuit 123 receives the measurement results from the voltage detection circuit 122 and the temperature detection unit 125 and transmits them to the battery pack control unit 150 via the signal input/output circuit 124. The circuit configuration generally implemented in the cell control unit 121 to equalize voltage and SOC variations between the cells 111 that occur due to self-discharge, current consumption variations, etc. may use any existing technology.
図2における単電池制御部121が備える温度検知部125は、単電池群112の温度を測定する機能を有する。温度検知部125は、単電池群112全体として1つの温度を測定し、単電池群112を構成する単電池111の温度代表値としてその温度を取り扱う。温度検知部125が測定した温度は、単電池111、単電池群112、又は組電池110の状態を検知するための各種演算に用いられる。図2はこれを前提とするため、単電池制御部121に1つの温度検知部125を設けた。単電池111毎に温度検知部125を設けて単電池111毎に温度を測定し、単電池111毎の温度に基づいて各種演算を実行することもできるが、この場合は温度検知部125の数が多くなる分、単電池制御部121の構成が複雑となる。 The temperature detection unit 125 provided in the cell control unit 121 in Figure 2 has the function of measuring the temperature of the cell group 112. The temperature detection unit 125 measures one temperature for the cell group 112 as a whole and treats that temperature as a representative temperature value for the cells 111 that make up the cell group 112. The temperature measured by the temperature detection unit 125 is used for various calculations to detect the state of the cell 111, the cell group 112, or the battery pack 110. Figure 2 assumes this, so one temperature detection unit 125 is provided in the cell control unit 121. It is also possible to provide a temperature detection unit 125 for each cell 111 to measure the temperature of each cell 111 and perform various calculations based on the temperature of each cell 111; however, in this case, the number of temperature detection units 125 would increase, making the configuration of the cell control unit 121 more complex.
図2では、簡易的に温度検知部125を示した。実際は温度測定対象に温度センサが設置され、設置した温度センサが温度情報を電圧として出力し、これを測定した結果が制御回路123を介して信号入出力回路124に送信され、信号入出力回路124が単電池制御部121の外に測定結果を出力する。この一連の流れを実現する機能が単電池制御部121に温度検知部125として実装され、温度情報(電圧)の測定には電圧検出回路122を用いることもできる。 Figure 2 shows a simplified temperature detection unit 125. In reality, a temperature sensor is installed at the object to be measured, and the installed temperature sensor outputs temperature information as a voltage. The measurement result is sent to the signal input/output circuit 124 via the control circuit 123, and the signal input/output circuit 124 outputs the measurement result outside the cell control unit 121. The function that realizes this series of steps is implemented in the cell control unit 121 as the temperature detection unit 125, and the voltage detection circuit 122 can also be used to measure the temperature information (voltage).
組電池制御部150と単電池管理部120は、フォトカプラのような絶縁素子170を介して、信号通信部160により信号の送受信を行う。絶縁素子170を設けるのは、組電池制御部150と単電池管理部120とで、動作電源が異なるためである。すなわち、単電池管理部120は、組電池110から電力をうけて動作するのに対して、組電池制御部150は、車載補機用のバッテリ(例えば12V系バッテリ)を電源として用いている。絶縁素子170は、単電池管理部120を構成する回路基板に実装しても良いし、組電池制御部150を構成する回路基板に実装しても良い。尚、システム構成によっては、前記絶縁素子170を省略することも可能である。The battery pack control unit 150 and the cell management unit 120 transmit and receive signals via the signal communication unit 160 via an isolation element 170 such as a photocoupler. The isolation element 170 is provided because the battery pack control unit 150 and the cell management unit 120 use different operating power sources. That is, the cell management unit 120 operates using power from the battery pack 110, while the battery pack control unit 150 uses a battery for on-board accessories (e.g., a 12V battery) as its power source. The isolation element 170 may be mounted on the circuit board that constitutes the cell management unit 120, or on the circuit board that constitutes the battery pack control unit 150. Depending on the system configuration, the isolation element 170 may be omitted.
本実施例における組電池制御部150と、単電池制御部121a及び121bとの通信部について説明する。単電池制御部121a及び121bは、それぞれが監視する単電池群112a及び112bの電位の高い順に従って直列に接続されている。組電池制御部150が送信した信号は、絶縁素子170を介して、信号通信部160により単電池制御部121aに入力される。単電池制御部121aの出力と単電池制御部121bの入力との間も同様に、信号通信部160により接続され、信号の伝送を行う。尚、本実施例では、単電池制御部121aと121b間は、絶縁素子170を介していないが、絶縁素子170を介していても良い。そして、単電池制御部121bの出力は、絶縁素子170を介して、組電池制御部150の入力を経て、信号通信部160により伝送される。このように、組電池制御部150と、単電池制御部121aと121bは、信号通信部160により、ループ状に接続されている。このループ接続は、デイジーチェーン接続あるいは数珠繋ぎ接続もしくは芋づる式接続と呼ぶ場合もある。 The communication unit between the battery pack control unit 150 and the cell control units 121a and 121b in this embodiment will be described. The cell control units 121a and 121b are connected in series in descending order of potential of the cell groups 112a and 112b that they monitor. Signals sent by the battery pack control unit 150 are input to the cell control unit 121a by the signal communication unit 160 via an insulating element 170. The output of the cell control unit 121a and the input of the cell control unit 121b are also connected by the signal communication unit 160 for signal transmission. Note that in this embodiment, the cell control units 121a and 121b are not connected via the insulating element 170, but the insulating element 170 may be used. The output of the cell control unit 121b is then transmitted by the signal communication unit 160 via the insulating element 170 and the input of the battery pack control unit 150. In this way, the battery pack control unit 150 and the cell control units 121a and 121b are connected in a loop by the signal communication unit 160. This loop connection is also called a daisy chain connection, a string of beads connection, or a root-and-root connection.
組電池制御部150の構成について図3に基づいて説明する。本実施例では、単電池111に関する診断結果や単電池管理部120に通信エラーなどが発生した場合に出力される異常信号に基づく処理内容については、簡単のため、説明を省略する。組電池制御部150は、SOC演算部151、SOH演算部152、モデル電圧演算部153、補正係数演算部154、電力制限値演算部155で構成される。The configuration of the battery pack control unit 150 will be explained based on Figure 3. In this embodiment, for simplicity, explanations of the diagnostic results for the cells 111 and the processing based on the abnormal signal output when a communication error occurs in the cell management unit 120 will be omitted. The battery pack control unit 150 is composed of an SOC calculation unit 151, an SOH calculation unit 152, a model voltage calculation unit 153, a correction coefficient calculation unit 154, and a power limit value calculation unit 155.
SOC演算部151は、組電池110を構成する各単電池111の平均電圧、組電池110に流れる電流、及び後述するモデル電圧演算部153が出力するモデルパラメータを入力として、SOC及びSOCvを出力する。SOC及びSOCvの演算処理内容については、後述する。SOH演算部152は、SOC演算部151が出力するSOC及びSOCv、モデル電圧演算部153が出力するモデルパラメータを入力とし、電池の劣化率を示すSOHを演算し、出力する。モデル電圧演算部153は、電流、温度と、SOC、SOHを入力として、各種モデルパラメータ及び電池の電圧を出力する。SOCは、SOC演算部151による演算結果として得られる。SOHは、SOH演算部152の演算結果として得られる。各種モデルパラメータは、電池の電圧を予測する電圧等価回路モデルを構成するパラメータである。モデル電圧演算部153が出力する電圧は、モデル電圧とOCVを含む。補正係数演算部154は、補正係数演算ステップを実行する。補正係数演算ステップは、電池の電圧計測値とモデル電圧演算部153が演算したモデル電圧とOCVを入力として、補正係数kを演算し出力するステップである。電力制限値演算部155は、電力制限値演算ステップを実行する。電力制限値演算ステップは、モデル電圧演算部153が演算したモデルパラメータ(後述するRo、Rp、τ、Vp)と、OCV、補正係数kを入力として、入力可能な最大電力(Pmax_c)と出力可能な最大電力(Pmax_d)を出力するステップである。 The SOC calculation unit 151 receives as input the average voltage of each cell 111 constituting the battery pack 110, the current flowing through the battery pack 110, and model parameters output by the model voltage calculation unit 153 (described later), and outputs the SOC and SOCv. The details of the calculation process for the SOC and SOCv will be described later. The SOH calculation unit 152 receives as input the SOC and SOCv output by the SOC calculation unit 151 and the model parameters output by the model voltage calculation unit 153, and calculates and outputs the SOH, which indicates the battery deterioration rate. The model voltage calculation unit 153 receives as input the current, temperature, SOC, and SOH, and outputs various model parameters and the battery voltage. The SOC is obtained as a calculation result by the SOC calculation unit 151. The SOH is obtained as a calculation result by the SOH calculation unit 152. The various model parameters are parameters that constitute a voltage equivalent circuit model that predicts the battery voltage. The voltage output by the model voltage calculation unit 153 includes the model voltage and OCV. The correction coefficient calculation unit 154 executes a correction coefficient calculation step. The correction coefficient calculation step is a step in which the battery voltage measurement value, the model voltage calculated by the model voltage calculation unit 153, and the OCV are input, and a correction coefficient k is calculated and output. The power limit value calculation unit 155 executes a power limit value calculation step. The power limit value calculation step is a step in which the model parameters (Ro, Rp, τ, and Vp, described below) calculated by the model voltage calculation unit 153, the OCV, and the correction coefficient k are input, and the maximum input power (Pmax_c) and the maximum output power (Pmax_d) are output.
記憶部180は、組電池110、単電池111、単電池群112の内部抵抗特性、満充電時の容量、分極抵抗特性、劣化特性、個体差情報、SOCとOCVの対応関係などの情報を格納する。尚、本実施例では、記憶部180は組電池制御部150又は単電池管理部120の外部に設置されている構成としたが、組電池制御部150又は単電池管理部120が記憶部を備える構成とし、これに上記情報を格納してもよい。The memory unit 180 stores information such as the internal resistance characteristics of the battery pack 110, the cell 111, and the cell group 112, the capacity at full charge, the polarization resistance characteristics, the degradation characteristics, the individual difference information, and the correspondence between SOC and OCV. In this embodiment, the memory unit 180 is configured to be installed outside the battery pack control unit 150 or the cell management unit 120, but the battery pack control unit 150 or the cell management unit 120 may be configured to have a memory unit that stores the above information.
図4は、記憶部180が格納しているSOCテーブルの例を示す図である。SOCテーブルは、単電池111のOCVと、単電池111のSOCとの対応関係を温度に応じて記述したデータテーブルである。記憶部180は、他にも内部抵抗特性や分極抵抗特性など各種電池特性情報をSOCテーブルと同様にSOCや温度等各種パラメータとの対応関係を記述したデータテーブルとして格納している。尚、本実施例の説明ではデータテーブルを用いたが、OCVとSOCとの対応関係を数式などで表現しても良く、データテーブルという形に限定されるものではない。 Figure 4 is a diagram showing an example of an SOC table stored in memory unit 180. The SOC table is a data table that describes the correspondence between the OCV of the battery cell 111 and the SOC of the battery cell 111 according to temperature. Memory unit 180 also stores various battery characteristic information, such as internal resistance characteristics and polarization resistance characteristics, as a data table that describes the correspondence with various parameters such as SOC and temperature, similar to the SOC table. Note that while a data table is used in the description of this embodiment, the correspondence between OCV and SOC may also be expressed using a formula or the like, and is not limited to the form of a data table.
組電池制御部150を構成するSOC演算部151について図5及び図6を用いて説明する。SOC演算部151は、SOCi演算部151-1、SOCv演算部151-2、組合せ演算部151-3から構成される。SOCi演算部151-1は、電流と組合せ演算部151-3が出力したSOC演算結果の前回値(一周期前の演算結果)を入力とし、電流の積算値に基づくSOC(以下、SOCi)を演算して出力する。SOCv演算部は、電池電圧、電流、温度に基づき、OCVを演算して、図6に示すOCVとSOCの対応関係に基づきSOC(以下、SOCv)を演算する。組合せ演算部151-3は、SOCiとSOCvを入力とし、SOCiとSOCvを重み付け平均し出力する。 The SOC calculation unit 151 constituting the battery pack control unit 150 will be described using Figures 5 and 6. The SOC calculation unit 151 is composed of an SOCi calculation unit 151-1, an SOCv calculation unit 151-2, and a combination calculation unit 151-3. The SOCi calculation unit 151-1 receives the current and the previous value of the SOC calculation result (the calculation result from one cycle ago) output by the combination calculation unit 151-3 as input, and calculates and outputs an SOC (hereinafter referred to as SOCi) based on the integrated value of the current. The SOCv calculation unit calculates the OCV based on the battery voltage, current, and temperature, and calculates an SOC (hereinafter referred to as SOCv) based on the correspondence relationship between OCV and SOC shown in Figure 6. The combination calculation unit 151-3 receives SOCi and SOCv as input, and outputs a weighted average of SOCi and SOCv.
次に、SOCi演算部151-1について説明する。SOCiは、組合せ演算部151-3が出力した結果の前回値(一周期前の演算結果)に対し、電流が流れたことによるSOCの変化量を加算することで算出する。(式(1))
SOCv演算部151-2について説明する。SOCv演算部151-2では、電池の電圧、電流、モデルパラメータ(ここでは、後述するRoとVp。図5モデルパラメータのうち、SOC演算に用いるRoとVpのみを抽出して入力に活用している)を入力として、電池のOCVを演算し、図6で示したSOCとOCVの対応関係からSOCvを推定する。OCVの演算は、図7に示すような電圧の等価回路(詳細は後述する)をもとに演算される。図7の等価回路によれば、電池のOCVは、以下の式(2)で表せる。
組合せ演算部151-3について述べる。組合せ演算部151-3は、SOCi演算部151-1が演算したSOCiとSOCv演算部151-2が演算したSOCvと電流、温度を入力として、以下の式(3)に基づき、SOCを演算する。
次に、図7に基づきSOH演算部152について説明する。本実施例におけるSOH演算は、入力となるSOCと内部抵抗Roを用いて演算するSOCvとの差分を、Roの誤差(劣化に伴うRoの変化)として抽出し、補正する手法である。Next, the SOH calculation unit 152 will be described with reference to Figure 7. The SOH calculation in this embodiment is a method of extracting and correcting the difference between the input SOC and the SOCv calculated using the internal resistance Ro as an error in Ro (change in Ro due to deterioration).
SOH演算部152は、演算実行判定部152-1と、内部抵抗補正部152-2と、SOH算出部152-3とを有する。演算実行判定部152-1は、SOC及びSOCv、電流、温度をもとに、SOH演算の実行可否を判定する。内部抵抗補正部152-2は、演算実行判定部152-1での判定結果をもとに、モデルパラメータの一つであるRo(モデルパラメータのうち、SOH演算に用いるRoのみを抽出して活用する)を補正する。SOH算出部152-3は、SOC、温度、及び補正後のRo(Ro´)を入力として、初期のRoとの比率を演算する。これらの処理部の詳細について説明する。 The SOH calculation unit 152 has a calculation execution determination unit 152-1, an internal resistance correction unit 152-2, and an SOH calculation unit 152-3. The calculation execution determination unit 152-1 determines whether or not to execute SOH calculation based on the SOC, SOCv, current, and temperature. The internal resistance correction unit 152-2 corrects Ro, one of the model parameters (only Ro used in SOH calculation is extracted and utilized from the model parameters), based on the determination result of the calculation execution determination unit 152-1. The SOH calculation unit 152-3 inputs the SOC, temperature, and corrected Ro (Ro') and calculates the ratio to the initial Ro. Details of these processing units will be explained below.
演算実行判定部152-1は、SOC及びSOCv、電流、温度を入力とし内部抵抗の補正演算を実行するか否かを判定する。具体的には、SOC、電流、温度や通電時間が所定の範囲内にあるかどうかをチェックし、すべての条件を満たすときに演算可能とし、その判定結果を出力する。SOC、電流、温度、通電時間の範囲については、電池の特性、後述する図8のような電池の等価回路モデルで電圧挙動を予測可能な領域かどうか(等価回路モデルで再現できない領域で充放電されていないか)やSOC誤差、電流及び温度センサ誤差の影響を加味して決定される。演算実行判定部152-1は、演算可能と判定したならば、SOCとSOCvを比較してRoの補正の要否と補正の方向を判定する。 The calculation execution determination unit 152-1 inputs the SOC, SOCv, current, and temperature and determines whether to perform an internal resistance correction calculation. Specifically, it checks whether the SOC, current, temperature, and current flow time are within a specified range, and if all conditions are met, it determines that calculation is possible and outputs the determination result. The ranges of SOC, current, temperature, and current flow time are determined taking into account the battery characteristics, whether the voltage behavior is in a range that can be predicted using a battery equivalent circuit model such as that shown in Figure 8 (described below) (whether charging or discharging is occurring in a range that cannot be reproduced by the equivalent circuit model), and the effects of SOC error and current and temperature sensor errors. If the calculation execution determination unit 152-1 determines that calculation is possible, it compares the SOC and SOCv to determine whether Ro needs to be corrected and the direction of correction.
内部抵抗補正部152-2は、演算実行判定部152-1にて補正が必要と判断された場合に、入力となるRoを補正する。具体的には、補正が必要と判断され、かつ、抵抗値を低めに補正する必要がある場合は、所定値をRoから差し引く。逆に、抵抗値を高めに補正する必要がある場合は、所定値をRoに対して加算する。 The internal resistance correction unit 152-2 corrects the input Ro when the calculation execution determination unit 152-1 determines that correction is necessary. Specifically, if correction is determined to be necessary and the resistance value needs to be corrected lower, a predetermined value is subtracted from Ro. Conversely, if the resistance value needs to be corrected higher, a predetermined value is added to Ro.
SOH算出部152-3は、内部抵抗補正部152-2が演算したRo´と、入力となるSOCと温度に応じた初期のRo(新品時の内部抵抗値RoInit)を算出し、Roの上昇率として、以下の式(5)に基づき演算される。
次に組電池制御部150を構成するモデル電圧演算部153について図8及び図9を用いて説明する。 Next, the model voltage calculation unit 153 that constitutes the battery pack control unit 150 will be explained using Figures 8 and 9.
図8は、電池の電圧を再現する電圧等価回路モデルを示している。同図に示した等価回路モデルは、電池の開回路電圧(OCV)を示す起電力成分に対し、内部抵抗Roと、Rp及びCの並列回路とを直列に接続した構成である。内部抵抗Roは、電池の電極、電解液などの構成部材に起因する抵抗成分であり、時間には依存しない。Rp及びCの並列回路は、電池の電気化学的な反応に伴う内部抵抗成分を模擬したものである。以降、Rpを分極抵抗とし、並列回路における時定数τ(=Rp×C)を分極時定数と呼ぶこととする。この等価回路モデルでは、電池電圧であるCCVは以下の式(6)で算出される。式(6)中のVp_zは一演算周期前の分極電圧を示している。
等価回路モデル内のモデルパラメータである、OCV、Ro、Rp、τはそれぞれ、電池を充電もしくは放電させたときの電圧波形から抽出することができる。図9に、電池に一定の充電電流を入力したときの電圧波形を示した。図9に示すように充電電流が入力された瞬間、OCVに対して時間に依存しない内部抵抗成分であるRo分の電圧変化(Vo)が生じ、その後、時定数τで時間の経過と共に変化する電圧成分である分極電圧Vpが生じる。充電終了後は、Vo分の電圧変化が0となり、分極電圧Vpが時定数τで徐々に緩和され、最終的に電池電圧はOCVへと近づいていく。このような実験を、各SOCや温度、充電及び放電にて実施し、充電及び放電開始前の電圧をOCVとして抽出したのち、それぞれの条件での電圧変化を再現できるよう、例えば、最小二乗法などを適用して、Ro、Rp、τを抽出して、データベースを構築し、マップとして記憶部180に格納しておく。The model parameters in the equivalent circuit model, OCV, Ro, Rp, and τ, can be extracted from the voltage waveform when the battery is charged or discharged. Figure 9 shows the voltage waveform when a constant charging current is input to the battery. As shown in Figure 9, the moment the charging current is input, a voltage change (Vo) occurs corresponding to Ro, the time-independent internal resistance component of the OCV. This is followed by the polarization voltage Vp, a voltage component that changes over time with the time constant τ. After charging is completed, the voltage change corresponding to Vo becomes zero, and the polarization voltage Vp gradually relaxes with the time constant τ, ultimately resulting in the battery voltage approaching the OCV. Such experiments were conducted at various SOCs, temperatures, charging, and discharging conditions. The voltage before the start of charging and discharging was extracted as the OCV. Then, Ro, Rp, and τ were extracted using, for example, the least-squares method to reproduce the voltage changes under each condition. A database was then constructed and stored as a map in the memory unit 180.
本実施例におけるモデル電圧演算部153では、あらかじめ抽出したSOCや温度毎のOCV、新品時におけるRoマップ(RoInitMap)、新品時のRpマップ(RpInitMap)、τマップ(τMap)を記憶部180に実装しておき、SOC、SOH、温度を入力として、SOC、SOH、温度に対応したRo、Rp、τ、Vpなどのモデルパラメータと、モデル電圧CCVを演算して出力する。モデルパラメータはそれぞれ以下の式(7)で算出される。モデル電圧CCVは上記、式(6)で算出される。
次に本実施例における補正係数演算部154について図10及び図11に基づき述べる。図10は、図9と同様にある一定の矩形波電流を電池に入力したときの電圧波形であり、大電流かつ長時間の連続通電時の波形である。実線は実電池の電池電圧の波形を示しており、点線は、図8で説明した等価回路モデルで演算した電圧波形を示している。通電時間が短い領域では、実線及び点線はよく一致しているが、時間の経過に伴いズレが拡大し、放電の後半では、実線の実電池の挙動が大きく屈曲した挙動となっており、モデル電圧との挙動の乖離が大きく異なっていることが分かる。長時間通電時の大きく電圧挙動が屈曲する現象は、電池内部のリチウムイオンの拡散に寄与する内部抵抗成分が、電極電解質界面のリチウムイオンの減少に伴って大きくなったことが原因であり、このような挙動を、図8の等価回路モデルでは再現できていないため、放電の後半で電圧挙動に大きな乖離が生じてしまったものと考えられる。Next, the correction coefficient calculation unit 154 in this embodiment will be described with reference to Figures 10 and 11. Figure 10, like Figure 9, shows the voltage waveform when a constant square-wave current is input to the battery, representing a large current and continuous, long-term current application. The solid line represents the battery voltage waveform of the actual battery, and the dotted line represents the voltage waveform calculated using the equivalent circuit model described in Figure 8. While the solid and dotted lines closely match in the short-current application period, the discrepancy increases over time. In the latter half of discharge, the behavior of the actual battery (shown by the solid line) exhibits a significant curvature, revealing a significant deviation from the model voltage. The significant curvature in the voltage behavior during long-term current application is due to the increase in the internal resistance component contributing to the diffusion of lithium ions within the battery as the lithium ions at the electrode-electrolyte interface decrease. This behavior cannot be reproduced by the equivalent circuit model shown in Figure 8, resulting in the significant deviation in the voltage behavior during the latter half of discharge.
電圧(抵抗)挙動に大きな乖離がある状況で、電池が充放電されると、後述する入出力可能電力を正確に演算することができないため、結果として守るべき上下限電圧を逸脱してしまう可能性がある。これを解決するため、図10に示す電圧が屈曲するような領域を含めて再現可能な電圧の等価回路モデルを構築する手段もあるが、一般的に、当該領域のモデル化は非常に困難である。そこで、電圧モデルで再現できない領域での充放電においても入出力可能電力をより正確に演算するため、本実施例では、実測電圧とモデル電圧をもとに補正係数を算出し、入出力可能電力演算へ反映する手法を説明する。 When a battery is charged or discharged in a situation where there is a large discrepancy in voltage (resistance) behavior, the available input/output power described below cannot be accurately calculated, which could result in deviation from the upper and lower voltage limits that must be observed. To solve this problem, one approach is to construct an equivalent circuit model of voltage that can be reproduced, including the region where the voltage bends, as shown in Figure 10, but modeling such a region is generally very difficult. Therefore, in order to more accurately calculate the available input/output power even when charging or discharging in a region that cannot be reproduced by a voltage model, this example describes a method of calculating a correction coefficient based on the actual measured voltage and model voltage, and reflecting this in the calculation of the available input/output power.
本実施例における補正係数の算出方法の例を図11に示す。本実施例では、内部抵抗による電圧変化を、モデル電圧及び実測電圧からそれぞれ算出し、これらの比率を補正係数として抽出する(式(8))。
電力制限値演算部155について図12に基づき述べる。電力制限値演算部155は、モデルパラメータのうち、時間に依存する分極抵抗Rp及び分極電圧Vpと、補正係数演算部154が求めた補正係数kを入力する。電力制限値演算部155は、補正係数反映部155-1と、許容電流演算部155-2と、許容電力演算部155-3とを有する。補正係数反映部155-1は、Rp及びVpを補正する。許容電流演算部155-2は、OCVと、補正係数反映部155-1で補正されたパラメータを含むモデルパラメータとを入力として、電池の入力可能な最大電流Imax_c及び出力可能な最大電流Imax_dを演算する。許容電力演算部155-3は、OCVと、補正係数反映部155-1で補正されたパラメータを含むモデルパラメータと、Imax_cと、Imax_dとを入力として、入力可能な最大電力Pmax_c及び出力可能な最大電力Pmax_dを演算し、出力する。 The power limit value calculation unit 155 will be described with reference to Figure 12. The power limit value calculation unit 155 inputs the time-dependent polarization resistance Rp and polarization voltage Vp, which are model parameters, and the correction coefficient k calculated by the correction coefficient calculation unit 154. The power limit value calculation unit 155 has a correction coefficient reflection unit 155-1, an allowable current calculation unit 155-2, and an allowable power calculation unit 155-3. The correction coefficient reflection unit 155-1 corrects Rp and Vp. The allowable current calculation unit 155-2 inputs the OCV and model parameters, including the parameters corrected by the correction coefficient reflection unit 155-1, and calculates the maximum current Imax_c that can be input to the battery and the maximum current Imax_d that can be output. The allowable power calculation unit 155-3 receives as input the OCV, model parameters including the parameters corrected by the correction coefficient reflection unit 155-1, Imax_c, and Imax_d, and calculates and outputs the maximum power Pmax_c that can be input and the maximum power Pmax_d that can be output.
補正係数反映部155-1は、入力となる補正係数kを用いて、Imax_c、Imax_d、Pmax_c、Pmax_dの演算に用いるモデルパラメータを補正する。補正係数kは、時間の経過に伴い変化する分極成分の影響を反映した係数であることから、そもそも時間依存のない抵抗成分であるRoは補正対象から除外し、分極抵抗Rp及び分極電圧Vpのみを補正するのに活用する。本実施例では、以下の式(9)により分極抵抗Rp及び分極電圧Vpを補正するものとした。
許容電流演算部155-2は、式(9)で補正されたRpやVpを含むモデルパラメータとOCVを入力として以下の式(10)(11)により、電池の入力可能な最大電流Imax_c及び出力可能な最大電流Imax_dを演算する。
次に、許容電力演算部155-3は、式(9)で補正されたRpやVpを含むモデルパラメータとOCV及び許容電流演算部155-2が演算したImax_c及びImax_dを入力として、以下の式(12)(13)により、入力可能な最大電力Pmax_cと出力可能な最大電力Pmax_dを演算する。
本発明の効果を図13及び図14を用いて説明する。図13及び図14は、演算周期毎に更新される出力可能電力に沿って、電池を放電させたときの電力、電流、電圧の波形を示したものであり、図13は本発明適用前、図14は、本発明適用後の波形をそれぞれ示している。The effects of the present invention will be explained using Figures 13 and 14. Figures 13 and 14 show the waveforms of power, current, and voltage when the battery is discharged according to the available output power that is updated every calculation cycle. Figure 13 shows the waveforms before the application of the present invention, and Figure 14 shows the waveforms after the application of the present invention.
まず、本発明適用前の図13について説明する。休止状態から式(13)により算出された出力可能電力相当の電力で放電を開始する。放電に伴い、電流が流れ結果としてSOCが低下するため、放電可能電力が徐々に小さくなる。電圧は電流が継続して通電することで、時間の経過と共に低下していくが、あるところで出力可能電力の演算に用いている電池の電圧等価回路モデルでは、再現できないリチウムイオンの拡散抵抗が増加する領域で、誤差が生じ、実測電圧がモデル電圧よりもひくい、つまり、内部抵抗が高い状態になっていることが分かる。このような状況では、本来、出力可能電力に演算する内部抵抗をより大きく、つまり、出力可能電力を小さく演算する必要があるが、発明適用前では、実測電圧とモデル電圧の差分を出力可能電力演算に反映していないため、過剰に電力を入力してしまい結果として下限電圧を下回ってしまう。First, let's look at Figure 13, which shows the state before the present invention was applied. Discharge begins from a resting state with a power equivalent to the available output power calculated using equation (13). As the discharge progresses, current flows, resulting in a decrease in SOC, gradually decreasing the available discharge power. As the current continues to flow, the voltage decreases over time. However, at some point, an error occurs in the region where the lithium ion diffusion resistance increases, which cannot be reproduced using the battery voltage equivalent circuit model used to calculate the available output power. This results in the actual measured voltage being lower than the model voltage, i.e., the internal resistance is high. In this situation, the internal resistance calculated for the available output power should be increased, i.e., the available output power should be calculated to be lower. However, before the present invention was applied, the difference between the actual measured voltage and the model voltage was not reflected in the available output power calculation, resulting in excessive power being input, resulting in the voltage falling below the lower limit.
一方で、本発明を適用した場合の同様な試験結果を示す図14では、モデル電圧と実測電圧から補正係数kを算出し、出力可能電力へ反映するため、モデル電圧と実測電圧との乖離が発生した時点から電力がより小さい値となるように補正され、結果として下限電圧が逸脱することなく放電が継続されている。 On the other hand, in Figure 14, which shows similar test results when the present invention is applied, the correction coefficient k is calculated from the model voltage and the actual measured voltage and reflected in the available output power, so that the power is corrected to a smaller value from the point at which a deviation occurs between the model voltage and the actual measured voltage, and as a result, discharge continues without deviating from the lower limit voltage.
本実施例によれば、実測電圧とモデル電圧に基づく補正係数kを入出力可能電力演算に反映することで、二次電池の電圧等価回路モデルのモデリング誤差による上下限電圧の逸脱を防止することが可能な入出力可能電力を演算することが可能となる。 According to this embodiment, by reflecting the correction coefficient k based on the actual measured voltage and model voltage in the calculation of the available input/output power, it is possible to calculate the available input/output power that can prevent deviation from the upper and lower limit voltages due to modeling errors in the voltage equivalent circuit model of the secondary battery.
尚、図14では、出力可能電力相当の電力を入力する充放電試験を実施した場合を例に実施例1の効果を説明したが、入力可能電力相当の電力を入力する場合も同様の効果が期待される。つまり、モデル電圧と実測電圧との乖離が発生した時点から電力が小さくなる方向への補正が実行され、結果として、上限電圧を逸脱することなく充電を継続することが可能となる。 Note that Figure 14 explains the effects of Example 1 using the example of a charge/discharge test in which power equivalent to the available output power is input, but similar effects can be expected when inputting power equivalent to the available input power. In other words, once a deviation occurs between the model voltage and the measured voltage, a correction is made to reduce the power, making it possible to continue charging without exceeding the upper voltage limit.
また、本実施例では、補正係数の算出方法として、式(8)記載のようにOCVとモデル電圧及び実測電圧の差分の比率として抽出したが、これに限定されるものでない。よりシンプルに、モデル電圧とOCVの差分(モデル電圧差分)、及び実測電圧とOCVとの差分(実測電圧差分)を軸とする補正係数マップを事前に構築しておき、これに、充放電中のモデル電圧差分と実測電圧差分を入力して補正係数を出力する構成としてもよい。その他にも、図8記載の等価回路モデルに基づいて、演算される分極電圧Vp(Vp_model)と、実測電圧からOCVとVoを差し引くことで算出される実測値ベースの分極電圧Vp(Vp_measure)を時間の経過に伴い変化する抵抗成分として直接的に抽出し、これらの比率として補正係数を算出してもよく、内部抵抗成分のズレを示す指標であれば、いずれの指標でもよい。In this embodiment, the correction coefficient is calculated as the ratio of the difference between the OCV and the model voltage and the measured voltage, as shown in equation (8). However, this is not a limitation. A simpler configuration would be to create a correction coefficient map in advance, with the difference between the model voltage and OCV (model voltage difference) and the difference between the measured voltage and OCV (measured voltage difference) as axes, and input the model voltage difference and the measured voltage difference during charging and discharging to this map to output the correction coefficient. Alternatively, the calculated polarization voltage Vp (Vp_model) based on the equivalent circuit model shown in Figure 8 and the measured-value-based polarization voltage Vp (Vp_measure), calculated by subtracting the OCV and Vo from the measured voltage, could be directly extracted as resistance components that change over time, and the correction coefficient could be calculated as the ratio of these. Any indicator that indicates the deviation of the internal resistance component would be acceptable.
本発明の実施例2について、図15から図21に基づき述べる。
実施例1では、実測電圧とモデル電圧の差分に応じた補正係数kを、式(8)により算出し、算出した補正係数kを用いて式(9)に示すように時間の経過に伴う抵抗成分に対して補正し、入力及び出力可能電力を演算する例を示した。
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the first embodiment, a correction coefficient k corresponding to the difference between the measured voltage and the model voltage is calculated using equation (8), and the calculated correction coefficient k is used to correct the resistance component over time as shown in equation (9), thereby calculating the input and output available power.
ところが、図1に示すように電池システムであるバッテリ100は、単電池111を直列に接続した組電池110から構成され、各単電池111毎の固体差や温度のばらつきにより電池の電圧はばらつき得る。入力及び出力可能電力は、組電池110を構成するすべての単電池111の電圧が上下限電圧を逸脱しない範囲内での最大電力として算出される必要がある。そこで、本実施例では、各単電池111の電圧ばらつきを考慮して補正係数を定め、入力及び出力可能電力の演算に反映することで、組電池110を構成するすべての単電池111が上下限電圧を逸脱しないような入力及び出力可能電力を演算する例について述べる。However, as shown in Figure 1, the battery 100, which is a battery system, is composed of an assembled battery 110 in which cells 111 are connected in series, and the battery voltage can vary due to individual differences between each cell 111 and temperature variations. The input and output power capacities must be calculated as the maximum power within a range in which the voltages of all cells 111 constituting the assembled battery 110 do not deviate from the upper and lower voltage limits. Therefore, this embodiment describes an example in which a correction coefficient is determined taking into account the voltage variations of each cell 111 and reflected in the calculation of the input and output power capacities, thereby calculating the input and output power capacities so that all cells 111 constituting the assembled battery 110 do not deviate from the upper and lower voltage limits.
本実施例の説明では、実施例1との差分点を中心に説明し、実施例1と同様の構成の箇所については説明を省略する。 In explaining this embodiment, we will focus on the differences from embodiment 1, and omit explanations of parts with configurations similar to embodiment 1.
本実施例における実施例1との差分点は、組電池制御部150´と組電池制御部150´における補正係数演算部154´、電力制限値演算部155´である。 The differences between this embodiment and embodiment 1 are the battery pack control unit 150', and the correction coefficient calculation unit 154' and power limit value calculation unit 155' in the battery pack control unit 150'.
まず、組電池制御部150´について図15に基づき述べる。実施例1における組電池制御部150との差分は、補正係数演算部154´に、組電池110を構成する単電池111のうち、最も高い電圧(最高セル電圧)及び最も低い電圧(最低セル電圧)を入力し、後述する入力可能電流用の補正係数kchgと放電可能電流の補正係数kdis及び電圧の補正係数kvolの合計3つの補正係数を出力し、電力制限値演算部155´へ入力している点である。電力制限値演算部155´は、kchg、kdis、kvolを入力として、入力可能な最大電力Pmax_cと出力可能な最大電力Pmax_dを出力する。 First, the battery pack control unit 150' will be described with reference to Figure 15. The difference from the battery pack control unit 150 in Example 1 is that the highest voltage (maximum cell voltage) and the lowest voltage (minimum cell voltage) of the cells 111 that make up the battery pack 110 are input to the correction coefficient calculation unit 154', which outputs a total of three correction coefficients: a correction coefficient kchg for the available input current, a correction coefficient kdis for the available discharge current, and a voltage correction coefficient kvol, which are described below, and input them to the power limit value calculation unit 155'. The power limit value calculation unit 155' takes kchg, kdis, and kvol as inputs, and outputs the maximum available input power Pmax_c and the maximum available output power Pmax_d.
次に、補正係数演算部154´について述べる。実施例1における補正係数演算部154との違いは、入力に最高セル電圧と最低セル電圧が追加され、最高セル電圧とモデル電圧をもとに、入力可能電流用の補正係数kchgを演算し、最低セル電圧とモデル電圧をもとに、放電可能電流の補正係数kdisを演算し、平均電圧とモデル電圧をもとに、電圧の補正係数kvolを演算する点である。Next, the correction coefficient calculation unit 154' will be described. The difference from the correction coefficient calculation unit 154 in Example 1 is that the maximum cell voltage and minimum cell voltage are added to the input, the correction coefficient kchg for the inputtable current is calculated based on the maximum cell voltage and model voltage, the correction coefficient kdis for the dischargeable current is calculated based on the minimum cell voltage and model voltage, and the voltage correction coefficient kvol is calculated based on the average voltage and model voltage.
入力可能な最大電流Imax_cは、組電池110を構成するすべての単電池111が上限電圧を逸脱しないような電流値として設定される必要があるため、組電池110を構成するすべての単電池111の中で最も高い電圧である最高セル電圧を基準に、補正係数を算出し、これを活用する。kchgを算出する式を以下の式(14)に示す。
同様に、出力可能な最大電流Imax_dは、組電池110を構成するすべての単電池111が下限電圧を逸脱しないような電流値として設定される必要があるため、組電池110を構成するすべての単電池111の中で最も低い電圧である最低セル電圧を基準に、補正係数を算出し、これを活用する。kdisを算出する式を以下の式(15)に示す。
また、入力可能電力及び放電可能電力を演算する際に計算する入力可能電流及び放電可能電流通電時の電圧を演算するのに用いる内部抵抗成分の補正は、組電池110を構成する単電池111の総和に相当するため、組電池110全体の平均電圧(=総電圧÷セル数)を基準に、補正係数を算出し、これを活用する。kvolは以下の式(16)に示す。
次に、電力制限値演算部155´について、図16に基づき述べる。実施例1における電力制限値演算部155´との違いは、式(14)~(16)で記載したkchg、kdis、kvolの補正係数を入力とし、これらを用いて許容電流(Imax_c、Imax_d)と許容電力(Pmax_c、Pmax_d)を演算する点である。許容電流(Imax_c、Imax_d)の演算に活用する内部抵抗成分を補正係数kchg、kdisをもとに補正した結果である、Rp_chgとVp_chg及びRp_disとVp_disを演算し、許容電流演算部155-2´へ出力すると共に、許容電力(Pmax_c、Pmax_d)に活用する内部抵抗成分を補正係数kvolをもとに補正した結果である、Rp_volとVp_volを許容電力演算部155-3´へ出力し、許容電流演算部155-2´及び許容電力演算部155-3´は、それぞれの入力に基づき後述する演算処理を実行する。Next, the power limit value calculation unit 155' will be described with reference to Figure 16. The difference from the power limit value calculation unit 155' in Example 1 is that the correction coefficients kchg, kdis, and kvol described in equations (14) to (16) are input, and these are used to calculate the allowable current (Imax_c, Imax_d) and allowable power (Pmax_c, Pmax_d). The internal resistance components used in calculating the allowable current (Imax_c, Imax_d) are corrected based on the correction coefficients kchg and kdis, and the results Rp_chg and Vp_chg and Rp_dis and Vp_dis are calculated and output to the allowable current calculation unit 155-2'. The internal resistance components used in calculating the allowable power (Pmax_c, Pmax_d) are corrected based on the correction coefficient kvol, and the results Rp_vol and Vp_vol are output to the allowable power calculation unit 155-3'. The allowable current calculation unit 155-2' and the allowable power calculation unit 155-3' perform the calculation processing described below based on their respective inputs.
補正係数反映部155-1´について述べる。補正係数反映部155-1´は実施例1と同様の入力である分極抵抗Rpと分極電圧Vpに対し、補正係数kchg、kdis、kvolを用いて補正する。入力可能電流用内部抵抗Rp´_chg及び分極電圧Vp´_chgは、kchgを用いて以下の式(17)のように算出される。
許容電流演算部155-2´は、式(17)及び式(18)で補正されたRpやVpを含むモデルパラメータとOCVを入力として以下の式(20)(21)により、電池の入力可能な最大電流Imax_c及び出力可能な最大電流Imax_dを演算する。
次に、許容電力演算部155-3´は、式(19)で補正されたRpやVpを含むモデルパラメータとOCV及び許容電流演算部155-2´が演算したImax_c及びImax_dを入力として、以下の式(22)(23)により、入力可能な最大電力Pmax_cと出力可能な最大電力Pmax_dを演算する。
本発明の効果を図17から図21を用いて説明する。図17は、内部抵抗値の異なる3つの単電池111を直列に接続した組電池の模式である。図18から図21は、図17に示した組電池に対し、実施例1の図13及び図14と同様に、演算周期毎に更新される出力可能電力もしくは入力可能電力に沿って、組電池を放電もしくは充電させたときの電力、電流、電圧の波形を示したものである。図18及び図19は実施例1記載の内容をベースに、平均電圧を基準に補正係数を決定した場合のグラフで、図20及び図21は、本実施例の本発明適用後の波形をそれぞれ示している。The effects of the present invention will be explained using Figures 17 to 21. Figure 17 is a schematic diagram of a battery pack in which three cells 111 with different internal resistance values are connected in series. Figures 18 to 21 show the power, current, and voltage waveforms when the battery pack shown in Figure 17 is discharged or charged in accordance with the available output power or available input power that is updated every calculation cycle, similar to Figures 13 and 14 of Example 1. Figures 18 and 19 are graphs in which the correction coefficient is determined based on the average voltage, based on the content described in Example 1, and Figures 20 and 21 show the waveforms after applying the present invention to this example.
まず、図18について説明する。実施例1と同様に休止状態から出力可能電力相当の電力で放電を開始する。放電に伴い、電流が流れ結果としてSOCが低下するため、放電可能電力が徐々に小さくなる。電圧は電流が継続して通電することで、時間の経過と共に低下していくが、あるところで出力可能電力の演算に用いている電池の電圧等価回路モデルでは、再現できないリチウムイオンの拡散抵抗が増加する領域に入るところで、単電池3つの平均電圧とモデル電圧との差分に対応する補正係数で出力可能電力が補正されるため、平均電圧は、下限電圧を放電が継続できているが、最低セル電圧は、3つの単電池の平均的な内部抵抗に比べて内部抵抗が高い分、電圧降下が大きく下限電圧を逸脱してしまっている。同様に、図19は、入力可能電力にそって充電する例であるが、平均電圧は上限電圧を逸脱しない一方で、内部抵抗の大きい最高セル電圧は、上限電圧を逸脱してしまっていることが分かる。First, let us consider Figure 18. As in Example 1, discharge begins from a resting state with a power equivalent to the available output power. As the discharge progresses, current flows, resulting in a decrease in SOC, gradually decreasing the available discharge power. As the voltage continues to flow, it decreases over time. At some point, the voltage reaches a region where the lithium-ion diffusion resistance increases, a region that cannot be reproduced by the battery voltage equivalent circuit model used to calculate the available output power. The available output power is corrected by a correction coefficient corresponding to the difference between the average voltage of the three cells and the model voltage. While the average voltage continues to discharge at the lower limit, the lowest cell voltage drops significantly and deviates from the lower limit due to its higher internal resistance compared to the average internal resistance of the three cells. Similarly, Figure 19 shows an example of charging according to the available input power. While the average voltage does not deviate from the upper limit, the highest cell voltage, with its high internal resistance, deviates from the upper limit.
一方で、本実施例を適用した場合の出力可能電力による放電試験結果を示す図20は、モデル電圧と最低セル電圧とから算出した補正係数kdisを算出し、出力可能電力へ反映するため、モデル電圧と最低セル電圧との乖離が発生した時点から電力がより小さい値となるように補正され、結果として最低セル電圧を含むすべての電池の電圧が下限電圧が逸脱することなく放電が継続されている。 On the other hand, Figure 20 shows the results of a discharge test based on the available output power when this embodiment is applied. The correction coefficient kdis is calculated from the model voltage and the lowest cell voltage, and is reflected in the available output power. From the point at which a deviation occurs between the model voltage and the lowest cell voltage, the power is corrected to a smaller value. As a result, the voltages of all batteries, including the lowest cell voltage, continue to discharge without deviating from the lower limit voltage.
さらに、本実施例を適用した場合の入力可能電力による充電試験結果を示す図21は、モデル電圧と最高セル電圧とから算出した補正係数kchgを算出し、入力可能電力へ反映するため、モデル電圧と最高セル電圧との乖離が発生した時点から電力がより小さい値となるように補正され、結果として最高セル電圧を含むすべての電池の電圧が上限電圧が逸脱することなく充電が継続されている。 Furthermore, Figure 21 shows the results of a charging test using the available input power when this embodiment is applied. The correction coefficient kchg is calculated from the model voltage and the maximum cell voltage and reflected in the available input power. From the point at which a deviation occurs between the model voltage and the maximum cell voltage, the power is corrected to a smaller value. As a result, charging continues without the voltage of all batteries, including the maximum cell voltage, deviating from the upper limit voltage.
本実施例によれば、出力可能電力用補正係数として、最低セル電圧とモデル電圧に基づく補正係数kdis及び平均電圧とモデル電圧に基づく補正係数kvolを出力可能電力演算に反映し、入力可能電力用補正係数として、最高セル電圧とモデル電圧に基づく補正係数kchg及び平均電圧とモデル電圧に基づく補正係数kvolを入力可能電力演算に反映することで、二次電池システムを構成する直列接続された全ての電池の電圧の上下限電圧逸脱を防止することが可能な入出力可能電力を演算することが可能となる。 According to this embodiment, the correction coefficient kdis based on the lowest cell voltage and model voltage and the correction coefficient kvol based on the average voltage and model voltage are reflected in the calculation of available output power as correction coefficients for available output power, and the correction coefficient kchg based on the highest cell voltage and model voltage and the correction coefficient kvol based on the average voltage and model voltage are reflected in the calculation of available input power as correction coefficients for available input power, thereby making it possible to calculate available input/output power that can prevent the voltages of all batteries connected in series that make up the secondary battery system from deviating from the upper and lower voltage limits.
本発明の実施例3について、図22から図25に基づき述べる。
実施例1及び実施例2では、最高セル電圧、最低セル電圧含む実測電圧とモデル電圧の差分に応じた補正係数を算出し、算出した補正係数kを用いて、入出力可能電力演算に用いる内部抵抗成分を補正する手法を述べた。本実施例では、よりシンプルに、内部抵抗成分の補正をせずに、補正係数が所定値を超えた場合に、直接、入出力可能電力を小さくなるように制限する手法を述べる。
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the first and second embodiments, a correction coefficient is calculated according to the difference between the model voltage and the measured voltage, including the highest and lowest cell voltages, and the calculated correction coefficient k is used to correct the internal resistance component used in the calculation of the available input/output power. In this embodiment, a simpler method is described in which the available input/output power is directly limited to a smaller value when the correction coefficient exceeds a predetermined value, without correcting the internal resistance component.
本実施例の説明では、実施例1及び実施例2との差分点を中心に説明し、実施例1及び実施例2と同様の構成の箇所については説明を省略する。 In explaining this embodiment, we will focus on the differences from embodiments 1 and 2, and will omit explanations of parts with configurations similar to those of embodiments 1 and 2.
図22に、本実施例における電力制限値演算部155´´の機能構成を示す。実施例2の電力制限値演算部155´(図16)との差分は、kchg、kdis、kvolが、実施例2の電力制限値演算部155´では、補正係数反映部155-1´へ入力されていたのに対し、本実施例では、補正係数反映部155-1´が削除され、許容電力演算部155-3´の後段にある許容電力制限部155-4へと入力されている。 Figure 22 shows the functional configuration of the power limit value calculation unit 155'' in this embodiment. The difference from the power limit value calculation unit 155' in embodiment 2 (Figure 16) is that in the power limit value calculation unit 155' in embodiment 2, kchg, kdis, and kvol were input to the correction coefficient reflection unit 155-1', whereas in this embodiment, the correction coefficient reflection unit 155-1' has been removed and they are input to the allowable power limit unit 155-4, which is located after the allowable power calculation unit 155-3'.
許容電力制限部155-4は、入力となるkchg、kdis、kvolに対応する入出力可能電力の制限率を推定し、推定結果を、許容電力演算部155-3´の出力であるWmax_c、Wmax_dに反映させて、最終的な入出力可能電力(Pmax_c及びPmax_d)として出力する。 The allowable power limiting unit 155-4 estimates the limit rate of the input/output power corresponding to the inputs kchg, kdis, and kvol, and reflects the estimated results in the outputs Wmax_c and Wmax_d of the allowable power calculation unit 155-3', outputting them as the final input/output power (Pmax_c and Pmax_d).
図23に基づき、制限率の算出方法について述べる。図23は、横軸に入力となるkchg、kdis、kvolをとり、縦軸に、入力値に対応した制限係数a_chg、a_dis、a_volをとったグラフである。制限開始を、入力となる補正係数が1として、それぞれの補正係数が個別に設定された閾値(kchg_end、kdis_end、kvol_end)にて、制限係数が0となるように設定される。1と制限係数が0となる閾値(kchg_end、kdis_end、kvol_end)の間は、図23では線形となるような例を示しているが、これに限定されることはなく、マップとして実装し、入力値に対応する任意の値を設定できるようにしてもよい。 The method for calculating the limit rate will be described with reference to Figure 23. Figure 23 is a graph with the inputs kchg, kdis, and kvol on the horizontal axis and the limit coefficients a_chg, a_dis, and a_vol corresponding to the input values on the vertical axis. The input correction coefficient is set to 1 to start the limit, and the limit coefficient is set to 0 at the thresholds (kchg_end, kdis_end, kvol_end) where each correction coefficient is individually set. Figure 23 shows an example where the relationship between 1 and the thresholds (kchg_end, kdis_end, kvol_end) where the limit coefficient becomes 0 is linear, but this is not limited to this and it may be implemented as a map so that any value corresponding to the input value can be set.
実施例2で述べたように、入力及び放電可能電流演算用の補正係数(kchg、kdis)と入力及び放電可能電流通電時の電圧の補正係数(kvol)があるため、本実施例では、最終的な入力可能電力の制限係数(ain)として、kchgに対応するa_chgとkvolに対応するadisのうち小さい方を、放電可能電力の制限係数(aout)として、kdisに対応するa_disとkvolのうち小さい方を活用する。
式(24)(25)で算出した制限係数をもとに、Pmax_c及びPmax_dを以下の式(26)(27)により算出する。
本発明の効果について、図24及び図25に基づき述べる。実施例2と同様に図24は出力可能電力相当の電力を電池に入力し続けた結果であり、図25は、入力可能電力相当の電力を電池に入力し続けた結果である。図24及び図25記載のグラフはそれぞれ、横軸を時間として、上段から、縦軸に電力、制限係数、電圧を示している。 The effects of the present invention will be described based on Figures 24 and 25. As with Example 2, Figure 24 shows the results of continuously inputting power equivalent to the available output power into the battery, while Figure 25 shows the results of continuously inputting power equivalent to the available input power into the battery. The graphs in Figures 24 and 25 each have time on the horizontal axis and, from the top, power, limit coefficient, and voltage on the vertical axis.
図24及び図25それぞれの制限係数及び電圧のグラフに着目すると、モデル電圧と図24記載の最高セル電圧とモデル電圧との差分が発生すると、制限係数が1よりも小さくなり、これに従って、出力可能電力が制限され、電池にかかる電力が小さくなっている事が分かる。同様に、図25記載の最高セル電圧とモデル電圧との差分が発生すると、制限係数が1よりも小さくなり、これに従って、入力可能電力が制限され、電池にかかる電力が小さくなっていることが分かる。結果として、図24及び図25記載のいずれの例においても、直列に接続された全ての電池の電圧が上下限電圧を超えないような入出力可能電力を演算できていることが確認された。 Looking at the graphs of limit coefficients and voltages in Figures 24 and 25, it can be seen that when a difference occurs between the model voltage and the maximum cell voltage shown in Figure 24, the limit coefficient becomes smaller than 1, and accordingly the output power is limited, reducing the power applied to the battery. Similarly, when a difference occurs between the maximum cell voltage shown in Figure 25 and the model voltage, the limit coefficient becomes smaller than 1, and accordingly the input power is limited, reducing the power applied to the battery. As a result, it was confirmed that in both the examples shown in Figures 24 and 25, it was possible to calculate the input/output power so that the voltages of all batteries connected in series did not exceed the upper or lower limit voltages.
本実施例によれば、実施例2で記載した補正係数kdis, kchg,kvolをもとに、入出力可能電力を制限するための制限係数(ain,aout)を算出し、入出力可能電力に反映することで、二次電池システムを構成する直列接続された全ての電池の電圧の上下限電圧逸脱を防止することが可能な入出力可能電力を演算することが可能となる。 According to this embodiment, the limit coefficients (ain, aout) for limiting the available input/output power are calculated based on the correction coefficients kdis, kchg, and kvol described in Example 2, and reflected in the available input/output power, thereby making it possible to calculate the available input/output power that can prevent the voltages of all series-connected batteries that make up the secondary battery system from deviating from the upper and lower voltage limits.
本発明の実施例4について、図26から図30に基づき述べる。
実施例1、2、3では、最高セル電圧、最低セル電圧含む実測電圧とモデル電圧の差分に応じた補正係数を算出し、算出した補正係数kを用いて入力及び出力可能電力を演算する例を示した。実施例4では、算出した補正係数を反映させるタイミングについて述べる。
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the first, second, and third embodiments, a correction coefficient is calculated according to the difference between the model voltage and the measured voltage, including the highest and lowest cell voltages, and the input and output available power is calculated using the calculated correction coefficient k. In the fourth embodiment, the timing for reflecting the calculated correction coefficient will be described.
一般に、組電池制御部150には、電池の内部抵抗の劣化に伴う変化を検出する手段(本発明では、SOH演算部152が相当)を有する。電池の内部抵抗を検出する手段は、演算精度を高精度化する目的で、演算の実行条件が設定される。例えば、本実施例のように図8に示す等価回路モデルを活用した演算では、等価回路モデルが電圧挙動を精度よく演算できる条件、例えば、通電時間が短いとき、などに演算する。演算が実行可能であると判断される領域においては、内部抵抗を高精度に推定でき、モデル電圧と実測電圧が一致することから、内部抵抗の演算結果を直接、入出力可能電力演算に反映できれば、本発明の実施例1及び実施例2で述べたような補正処理を実行する必要がないことになる。また、内部抵抗の検出と、本発明の実施例1及び実施例2に記載した補正処理が、同時に実行されると、入出力可能電力演算に活用する内部抵抗成分が変動し、入出力可能電力の演算結果が、振動するなど、予期しない挙動を示す可能性がある。Typically, the battery pack control unit 150 includes a means for detecting changes in the battery's internal resistance due to deterioration (equivalent to the SOH calculation unit 152 in this invention). The means for detecting the battery's internal resistance sets calculation execution conditions to improve calculation accuracy. For example, in the calculation using the equivalent circuit model shown in Figure 8 as in this embodiment, calculation is performed under conditions where the equivalent circuit model can accurately calculate voltage behavior, such as when the current flow time is short. In the range where calculation is determined to be possible, the internal resistance can be estimated with high accuracy, and the model voltage and the measured voltage match. Therefore, if the calculation result of the internal resistance can be directly reflected in the input/output available power calculation, there is no need to perform the correction process described in Examples 1 and 2 of the present invention. Furthermore, if internal resistance detection and the correction process described in Examples 1 and 2 of the present invention are performed simultaneously, the internal resistance component used in the input/output available power calculation may fluctuate, potentially causing the input/output available power calculation result to exhibit unexpected behavior, such as oscillation.
そこで、本実施例では、内部抵抗の演算が実行可能な範囲外のときのみ、実施例1及び実施例2に記載した補正係数を反映させ、演算が実行可能な範囲では、入出力可能電力演算に活用する内部抵抗成分への補正係数を反映させないようにする手法について述べる。 Therefore, in this embodiment, we describe a method in which the correction coefficients described in embodiments 1 and 2 are reflected only when the internal resistance calculation is outside the feasible range, and in which the correction coefficients are not reflected in the internal resistance component used in the input/output available power calculation within the feasible range.
本実施例の説明では、実施例1、2、3との差分点を中心に説明し、実施例1、2、3と同様の構成の箇所については説明を省略する。 In explaining this embodiment, we will focus on the differences from embodiments 1, 2, and 3, and will omit explanations of parts with configurations similar to embodiments 1, 2, and 3.
図26に、本実施例における組電池制御部150´´´を示す。実施例2の組電池制御部150´(図15)との差分は、SOH演算部152´´の判定結果が電力制限値演算部155´に出力されている点である。 Figure 26 shows the battery pack control unit 150''' in this embodiment. The difference from the battery pack control unit 150' (Figure 15) in Example 2 is that the judgment result of the SOH calculation unit 152'' is output to the power limit value calculation unit 155'.
本実施例におけるSOH演算部152´´について図27に基づき説明する。実施例1~3との差分は、演算実行判定部152-1が出力する判定結果をSOH演算部152´´の外部へ出力する点のみである。判定結果は、内部抵抗の補正、SOHの演算可否の判定結果である。 The SOH calculation unit 152'' in this embodiment will be described with reference to Figure 27. The only difference from embodiments 1 to 3 is that the determination result output by the calculation execution determination unit 152-1 is output to the outside of the SOH calculation unit 152''. The determination result is a determination result as to whether or not the internal resistance can be corrected and the SOH can be calculated.
次に、本実施例における電力制限値演算部155´´について図28に基づき述べる。実施例1~3との差分は、補正係数反映部155-1´´の入力に、電力制限値演算部155´´への新規入力となる判定結果が追加される点である。補正係数反映部155-1´´では、判定結果に応じて、出力となるパラメータ(Rp´_chg,Vp´_chg, Rp´_dis,Vp´_dis,Rp´_vol,Vp´_vol)を以下の式(28) (29)のように算出する。 Next, the power limit value calculation unit 155'' in this embodiment will be described with reference to Figure 28. The difference from embodiments 1 to 3 is that the judgment result, which is a new input to the power limit value calculation unit 155'', is added to the input of the correction coefficient reflection unit 155-1''. The correction coefficient reflection unit 155-1'' calculates the output parameters (Rp'_chg, Vp'_chg, Rp'_dis, Vp'_dis, Rp'_vol, Vp'_vol) according to the judgment result, using the following equations (28) and (29).
Case1)判定結果がOK(SOH演算が実行可能)なとき
Case2)判定結果がNG(SOH演算が実行不可)なとき
また、実施例3のような制限係数ain,aoutを活用する場合においても、同様にCase1の場合は、ain,aoutには、「1」を設定し、Case2の場合には、実施例3で述べた手法で算出したain,aoutを適用する。 Furthermore, even when utilizing the limiting coefficients ain and aout as in Example 3, in Case 1, ain and aout are set to "1", and in Case 2, ain and aout calculated using the method described in Example 3 are applied.
本実施例における効果について、図29及び図30をもとに述べる。図29、図30はそれぞれ上段より、時間に対する電流、電圧、SOH、補正係数kchg、出力可能な最大電力Pmax_dの波形を示している。図29は本実施例を適用前の波形であり、図30は、本実施例適用後の波形をそれぞれ示している。 The effects of this embodiment will be described with reference to Figures 29 and 30. From the top, Figures 29 and 30 each show waveforms of current, voltage, SOH, correction coefficient kchg, and maximum output power Pmax_d over time. Figure 29 shows the waveforms before this embodiment is applied, and Figure 30 shows the waveforms after this embodiment is applied.
図29、図30は、共に電流値が入力されてから、所定秒数通電しているときにSOHが更新される場合を想定しており、SOH演算が更新されている間は、更新されると同時にモデル電圧も更新される。SOH演算は、電流や電圧などの計測誤差(ノイズ)の影響で変動し得るため、図中のSOH演算ONの区間では、SOHが振動しながら更新されるような挙動となる。この影響で、SOHを入力として用いるモデル電圧演算部153内で更新されるモデル電圧と実測電圧との差分も振動すると考えられ、結果として、補正係数kchgも振動することになる。 Figures 29 and 30 both assume that the SOH is updated when current has been applied for a predetermined number of seconds after the current value is input. While the SOH calculation is being updated, the model voltage is also updated at the same time. Since the SOH calculation can fluctuate due to measurement errors (noise) in current, voltage, etc., in the section in the figure where SOH calculation is ON, the SOH will be updated while oscillating. Due to this influence, it is thought that the difference between the model voltage updated in the model voltage calculation unit 153, which uses SOH as input, and the actual measured voltage will also oscillate, and as a result, the correction coefficient kchg will also oscillate.
本実施例適用前は、SOHとkchgの振動する二つの成分がPmax_cに反映されるため、図29に示すように双方の演算値の振動をうけ、Pmax_cの値が変動することになるが、本実施例を適用すると、SOH演算が動作している間は、kchgの反映を停止するため、kchgの変動の影響は受けない。このため、結果として、Pmax_dの挙動は、本実施例適用前の波形と比べて安定的なPmax_dを算出することができる。Before this embodiment was applied, the two oscillating components of SOH and kchg were reflected in Pmax_c, so as shown in Figure 29, the calculated values of both were affected by vibrations, causing the value of Pmax_c to fluctuate. However, when this embodiment is applied, the reflection of kchg is stopped while the SOH calculation is running, so the value is not affected by fluctuations in kchg. As a result, the behavior of Pmax_d can be calculated to be more stable than the waveform before this embodiment was applied.
尚、図29、図30では、出力可能電力について記載したが、入力可能電力についても同様の効果が期待される。 Note that Figures 29 and 30 describe the available output power, but similar effects are expected for the available input power as well.
本実施例によれば、SOH演算が動作している間は、電池の等価回路モデル内の抵抗推定値のみを活用し、実施例1から3で述べた補正係数は活用せず、SOH演算が動作していない間にのみ、補正係数による入出力可能電力の補正を適用することで、入出力可能電力の変動を抑制し、かつ、SOH演算が動作していない、等価回路モデルによる抵抗推定が困難な条件(例えば、長時間通電時)においては、上下限電圧の逸脱を回避可能な入出力可能電力を演算することが可能となる。 According to this embodiment, while the SOH calculation is operating, only the resistance estimate value in the battery's equivalent circuit model is utilized, and the correction coefficient described in embodiments 1 to 3 is not utilized. Correction of the input/output available power using the correction coefficient is applied only while the SOH calculation is not operating, thereby suppressing fluctuations in the input/output available power, and in conditions where the SOH calculation is not operating and resistance estimation using the equivalent circuit model is difficult (for example, when current is applied for a long period of time), it is possible to calculate the input/output available power that avoids deviation from the upper and lower limit voltages.
また、入出力可能電力は、車両の走行制御に影響を与える要因であり、入出力可能電力の変動は、ユーザの車両の操作性(ドライバビリティ)に悪影響を及ぼすため、本実施例の適用により、入出力可能電力の変動を抑制することは、ユーザの車両の操作性を改善できる効果も期待できる。 In addition, the input/output available power is a factor that affects the vehicle's driving control, and fluctuations in the input/output available power have a negative impact on the user's vehicle operability (drivability).Therefore, by applying this embodiment, suppressing fluctuations in the input/output available power can be expected to have the effect of improving the user's vehicle operability.
尚、本実施例では、SOH演算の演算実行可否の判断結果を補正係数の反映要否に応用する例を示したが、SOH演算部152´´からの出力を使用せずとも、電力制限値演算部155´内で独自に反映要否を判定する手段を設け、この中で、例えば、長時間通電のときや電流値が高いとき、実測電圧とOCVの差分が大きいときなどの各種条件のときのみ補正係数を反映させるような構成にしてもよい。 In this embodiment, an example has been shown in which the result of determining whether or not the SOH calculation can be performed is applied to whether or not the correction coefficient needs to be reflected. However, without using the output from the SOH calculation unit 152'', a means for independently determining whether or not the correction coefficient needs to be reflected may be provided within the power limit value calculation unit 155', and the correction coefficient may be reflected only under various conditions, such as when current is applied for a long period of time, when the current value is high, or when the difference between the actual voltage and the OCV is large.
上記のように、開示の電池制御装置は、二次電池に関する測定値から求めた前記二次電池の状態と、前記二次電池に関するモデルを用いて演算した前記二次電池の状態との乖離に基づいて、補正係数を求める補正係数演算部154と、前記補正係数による補正を適用して前記二次電池の入出力可能な電力に関する値を演算する電力制限値演算部155とを備える。
このため、大電流の長時間通電などによってモデルによる予測から乖離しても、電池の入出力可能電力を精度良く求めることができ、電池の電圧が上下限電圧を逸脱することを回避し、電池の入出力性能を最大限発揮させ、電池システムの信頼性確保と効率的な使用に寄与する。
As described above, the disclosed battery control device includes a correction coefficient calculation unit 154 that calculates a correction coefficient based on the discrepancy between the state of the secondary battery calculated from measured values related to the secondary battery and the state of the secondary battery calculated using a model related to the secondary battery, and a power limit value calculation unit 155 that calculates a value related to the power that can be input and output to the secondary battery by applying correction using the correction coefficient.
As a result, even if the actual power consumption deviates from the model prediction due to factors such as the application of a large current for a long period of time, the battery's available input and output power can be calculated with high accuracy, preventing the battery voltage from deviating from the upper and lower voltage limits and maximizing the battery's input and output performance, contributing to ensuring the reliability and efficient use of the battery system.
また、開示の電池制御装置は、前記二次電池に関する測定値から求めた前記二次電池の状態は、前記二次電池の電圧を測定して求めた実測電圧に基づく内部抵抗の電圧変化であり、前記二次電池に関するモデルを用いて演算した前記二次電池の状態は、前記二次電池の電圧等価回路モデルを用いて求めたモデル電圧に基づく内部抵抗の電圧変化であり、前記補正係数演算部は、前記実測電圧に基づく内部抵抗の電圧変化と前記モデル電圧に基づく内部抵抗の電圧変化との比率を前記補正係数として求める。
そして、電池制御装置は、前記電力制限値演算部は、前記二次電池が入出力可能な電流及び/又は電力を演算するにあたり用いるモデルパラメータを、前記補正係数により補正する。
このため、実測電圧に基づいた補正係数を簡易に求め、モデルパラメータを補正して、入出力可能な電流や電力を演算することができる。
In addition, in the disclosed battery control device, the state of the secondary battery calculated from measured values related to the secondary battery is a voltage change in internal resistance based on an actual measured voltage obtained by measuring the voltage of the secondary battery, and the state of the secondary battery calculated using a model related to the secondary battery is a voltage change in internal resistance based on a model voltage obtained using a voltage equivalent circuit model of the secondary battery, and the correction coefficient calculation unit calculates the correction coefficient as the ratio between the voltage change in internal resistance based on the actual measured voltage and the voltage change in internal resistance based on the model voltage.
In the battery control device, the power limit value calculation unit corrects, using the correction coefficient, model parameters used to calculate the current and/or power that can be input and output by the secondary battery.
Therefore, it is possible to easily obtain a correction coefficient based on the actually measured voltage, correct the model parameters, and calculate the current and power that can be input and output.
また、前記電力制限値演算部は、前記モデルパラメータのうち、前記二次電池の電圧等価回路モデルにおける時間依存性を有する抵抗成分と、前記二次電池の電圧等価回路モデルにおける分極電圧とを、前記補正係数により補正する。
このように、大電流の長時間通電により影響を受ける要素を選択的に補正することで、入出力可能電力の演算精度向上を実現できる。
In addition, the power limit value calculation unit corrects, among the model parameters, a resistance component having time dependency in the voltage equivalent circuit model of the secondary battery and a polarization voltage in the voltage equivalent circuit model of the secondary battery using the correction coefficient.
In this way, by selectively correcting factors that are affected by the long-term application of a large current, it is possible to improve the accuracy of calculation of the available input/output power.
また、前記二次電池の実測電圧と開回路電圧との差分である実測電圧差分と、前記二次電池のモデル電圧と前記開回路電圧との差分であるモデル電圧差分と、前記補正係数との関係を示す補正係数マップを事前に構築し、前記補正係数演算部は、充放電中のモデル電圧差分と実測電圧差分に基づいて前記補正係数マップを参照し、前記補正係数を特定してもよい。
また、前記補正係数演算部は、前記二次電池の電圧等価回路モデルに基づいて演算される分極電圧と、実測電圧から開回路電圧と時間依存の無い抵抗による電圧変化を差し引いて算出した分極電圧との比率として前記補正係数を算出してもよい。
このように、補正係数は、任意の方式を用いて求めることができる。
Furthermore, a correction coefficient map may be constructed in advance that indicates the relationship between a measured voltage difference, which is the difference between the measured voltage and open circuit voltage of the secondary battery, a model voltage difference, which is the difference between a model voltage and the open circuit voltage of the secondary battery, and the correction coefficient, and the correction coefficient calculation unit may refer to the correction coefficient map based on the model voltage difference and the measured voltage difference during charging and discharging, to identify the correction coefficient.
The correction coefficient calculation unit may calculate the correction coefficient as a ratio between a polarization voltage calculated based on a voltage equivalent circuit model of the secondary battery and a polarization voltage calculated by subtracting an open circuit voltage and a voltage change due to a resistance that does not depend on time from an actually measured voltage.
In this way, the correction coefficient can be determined using any method.
また、前記補正係数演算部は、直列に接続されて組電池を構成する複数の前記二次電池について、複数の前記二次電池の電圧のうち最も高い電圧を前記実測電圧とし、入力可能な電流及び/又は電力の演算に用いる前記補正係数を求める。
また、前記補正係数演算部は、直列に接続されて組電池を構成する複数の前記二次電池について、複数の前記二次電池の電圧のうち最も低い電圧を前記実測電圧とし、出力可能な電流及び/又は電力の演算に用いる前記補正係数を求める。
このため、組電池を構成するすべての単電池が上下限電圧を逸脱しないような入力及び出力可能電力を演算することができる。
Furthermore, the correction coefficient calculation unit determines the correction coefficient to be used in calculating the inputtable current and/or power, using the highest voltage among the voltages of the secondary batteries that are connected in series to form a battery pack as the actually measured voltage.
Furthermore, the correction coefficient calculation unit determines the correction coefficient to be used in calculating the outputtable current and/or power, using the lowest voltage among the voltages of the secondary batteries that are connected in series to form a battery pack as the actually measured voltage.
Therefore, it is possible to calculate the input and output power that will not deviate from the upper and lower limit voltages of all the cells that make up the battery pack.
また、前記電力制限値演算部は、前記補正係数に基づき、前記二次電池の入出力可能な電流及び/又は電力を制限する制限係数を演算し、前記二次電池の入出力可能な電流及び/又は電力を小さくなるように制限することもできる。
このように、二次電池の入出力可能な電流及び/又は電力を直接制限することで、入出力可能な電流や電力を低負荷で演算することができる。
In addition, the power limit value calculation unit can calculate a limit coefficient that limits the current and/or power that can be input and output to the secondary battery based on the correction coefficient, and limit the current and/or power that can be input and output to the secondary battery so that they are small.
In this way, by directly limiting the current and/or power that can be input and output to and from the secondary battery, the current and power that can be input and output can be calculated with a low load.
また、開示の電池制御装置は、前記二次電池に流れる電流、電圧、温度に基づき、前記二次電池の内部抵抗の劣化率を算出する劣化率算出部としてのSOH演算部152をさらに備え、前記劣化率算出部は、前記劣化率を正確に演算するための条件が成立した場合に前記劣化率の演算を実行可能と判定し、前記電力制限値演算部は、前記劣化率算出部が前記劣化率の演算を実行可能と判定した場合には、前記補正係数による補正を抑制する。
前記劣化率算出部は、前記二次電池の充電率、温度、電流、電流通電時間のうち、少なくとも1つ以上に基づく条件により、前記劣化率の演算実行可否を判定する。
このため、劣化率の演算が補正率に影響する事態を回避し、適正な補正率を安定して求めることができる。
In addition, the disclosed battery control device further includes a SOH calculation unit 152 as a deterioration rate calculation unit that calculates the deterioration rate of the internal resistance of the secondary battery based on the current, voltage, and temperature flowing through the secondary battery, and the deterioration rate calculation unit determines that calculation of the deterioration rate can be performed when conditions for accurately calculating the deterioration rate are met, and the power limit value calculation unit suppresses correction using the correction coefficient when the deterioration rate calculation unit determines that calculation of the deterioration rate can be performed.
The deterioration rate calculation unit determines whether or not calculation of the deterioration rate can be performed based on a condition based on at least one of the charging rate, temperature, current, and current flow time of the secondary battery.
This prevents the deterioration rate calculation from affecting the correction rate, and allows an appropriate correction rate to be determined stably.
以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施例の構成に何ら限定されるものではない。また、上記の各実施例は、任意に組み合わせて使用することもできる。さらに、上記では種々の実施例や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。 The above description is merely an example, and the present invention is in no way limited to the configuration of the above-mentioned embodiment. Furthermore, the above-mentioned embodiments can be used in any combination. Furthermore, while various embodiments and variations have been described above, the present invention is not limited to these. Other embodiments conceivable within the technical scope of the present invention are also included within the scope of the present invention.
例えば、以上説明した各実施例では、二次電池としてリチウムイオン電池を用いた場合の例を説明したが、他の二次電池を用いた場合にも、同様の充放電制御が可能である。また、電気自動車用に限定されることなく、任意の用途の二次電池に本発明を適用可能である。For example, in each of the above-described embodiments, examples have been described in which a lithium-ion battery is used as the secondary battery, but similar charge/discharge control is possible when other secondary batteries are used. Furthermore, the present invention is not limited to secondary batteries for electric vehicles, but can be applied to secondary batteries for any purpose.
100…バッテリ、110…組電池、111…単電池、112…単電池群、120…単電池管理部、121…単電池制御部(4個の単電池111を監視)、122…電圧検出回路、123…制御回路、124…信号入出力回路、125…温度検知部、130…電流検知部、140…電圧検知部、150…組電池制御部、151…SOC演算部、151-1…SOCi演算部、151-2…SOCv演算部、151-3…組合せ演算部、152…SOH演算部、152-1…演算実行判定部、152-2…内部抵抗補正部、152-3…SOH算出部、152-4…通電時間計測部、153…モデル電圧演算部、154…補正係数演算部、155…電力制限値演算部、155-1…補正係数反映部、155-2…許容電流演算部、155-3…許容電力演算部、155-4…許容電力制限部、180…記憶部、200…車両制御部、300、310…リレー、400…インバータ、410…モータ、420…モータ/インバータ制御部
100... battery, 110... assembled battery, 111... cell, 112... cell group, 120... cell management unit, 121... cell control unit (monitoring four cells 111), 122... voltage detection circuit, 123... control circuit, 124... signal input/output circuit, 125... temperature detection unit, 130... current detection unit, 140... voltage detection unit, 150... assembled battery control unit, 151... SOC calculation unit, 151-1... SOCi calculation unit, 151-2... SOCv calculation unit, 151-3... combination calculation unit, 152... SOH calculation unit, 152 -1...calculation execution determination unit, 152-2...internal resistance correction unit, 152-3...SOH calculation unit, 152-4...power application time measurement unit, 153...model voltage calculation unit, 154...correction coefficient calculation unit, 155...power limit value calculation unit, 155-1...correction coefficient reflection unit, 155-2...allowable current calculation unit, 155-3...allowable power calculation unit, 155-4...allowable power limit unit, 180...storage unit, 200...vehicle control unit, 300, 310...relay, 400...inverter, 410...motor, 420...motor/inverter control unit
Claims (11)
前記補正係数による補正を適用して前記二次電池の入出力可能な電力に関する値を演算する電力制限値演算部と
を備え、
前記二次電池に関する測定値から求めた前記二次電池の状態は、前記二次電池の電圧を測定して求めた実測電圧に基づく内部抵抗の電圧変化であり、
前記二次電池に関するモデルを用いて演算した前記二次電池の状態は、前記二次電池の電圧等価回路モデルを用いて求めたモデル電圧に基づく内部抵抗の電圧変化であり、
前記補正係数演算部は、前記実測電圧に基づく内部抵抗の電圧変化と前記モデル電圧に基づく内部抵抗の電圧変化との比率を前記補正係数として求めることを特徴とする電池制御装置。 a correction coefficient calculation unit that calculates a correction coefficient based on a difference between a state of the secondary battery calculated from measurements of the secondary battery and a state of the secondary battery calculated using a model of the secondary battery;
a power limit value calculation unit that calculates a value related to the power that can be input/output to/from the secondary battery by applying correction using the correction coefficient ;
the state of the secondary battery determined from the measurement value of the secondary battery is a voltage change of an internal resistance based on an actual measured voltage determined by measuring a voltage of the secondary battery;
the state of the secondary battery calculated using the model related to the secondary battery is a voltage change of an internal resistance based on a model voltage obtained using a voltage equivalent circuit model of the secondary battery;
The battery control device according to claim 1, wherein the correction coefficient calculation unit calculates, as the correction coefficient, a ratio between a voltage change in internal resistance based on the actually measured voltage and a voltage change in internal resistance based on the model voltage .
前記補正係数による補正を適用して前記二次電池の入出力可能な電力に関する値を演算する電力制限値演算部と
を備え、
前記二次電池の実測電圧と開回路電圧との差分である実測電圧差分と、前記二次電池のモデル電圧と前記開回路電圧との差分であるモデル電圧差分と、前記補正係数との関係を示す補正係数マップを事前に構築し、
前記補正係数演算部は、充放電中の前記モデル電圧差分と前記実測電圧差分に基づいて前記補正係数マップを参照し、前記補正係数を特定することを特徴とする電池制御装置。 a correction coefficient calculation unit that calculates a correction coefficient based on a difference between a state of the secondary battery calculated from measurements of the secondary battery and a state of the secondary battery calculated using a model of the secondary battery;
a power limit value calculation unit that calculates a value related to the power that can be input/output to/from the secondary battery by applying correction using the correction coefficient;
Equipped with
constructing in advance a correction coefficient map showing a relationship between an actual measurement voltage difference, which is a difference between an actual measurement voltage and an open circuit voltage of the secondary battery, a model voltage difference, which is a difference between a model voltage and the open circuit voltage of the secondary battery, and the correction coefficient;
The battery control device according to claim 1, wherein the correction coefficient calculation unit refers to the correction coefficient map based on the model voltage difference and the measured voltage difference during charging and discharging, and specifies the correction coefficient.
前記補正係数による補正を適用して前記二次電池の入出力可能な電力に関する値を演算する電力制限値演算部と
を備え、
前記補正係数演算部は、前記二次電池の電圧等価回路モデルに基づいて演算される分極電圧と、実測電圧から開回路電圧と時間依存の無い抵抗による電圧変化を差し引いて算出した分極電圧との比率として前記補正係数を算出することを特徴とする電池制御装置。 a correction coefficient calculation unit that calculates a correction coefficient based on a difference between a state of the secondary battery calculated from measurements of the secondary battery and a state of the secondary battery calculated using a model of the secondary battery;
a power limit value calculation unit that calculates a value related to the power that can be input/output to/from the secondary battery by applying correction using the correction coefficient;
Equipped with
the correction coefficient calculation unit calculates the correction coefficient as a ratio between a polarization voltage calculated based on a voltage equivalent circuit model of the secondary battery and a polarization voltage calculated by subtracting an open circuit voltage and a voltage change due to time-independent resistance from an actually measured voltage.
前記補正係数による補正を適用して前記二次電池の入出力可能な電力に関する値を演算する電力制限値演算部と
を備え、
前記二次電池に流れる電流、電圧、温度に基づき、前記二次電池の内部抵抗の劣化率を算出する劣化率算出部をさらに備え、
前記劣化率算出部は、前記劣化率を正確に演算するための条件が成立した場合に前記劣化率の演算を実行可能と判定し、
前記電力制限値演算部は、前記劣化率算出部が前記劣化率の演算を実行可能と判定した場合には、前記補正係数による補正を抑制することを特徴とする記載の電池制御装置。 a correction coefficient calculation unit that calculates a correction coefficient based on a difference between a state of the secondary battery calculated from measurements of the secondary battery and a state of the secondary battery calculated using a model of the secondary battery;
a power limit value calculation unit that calculates a value related to the power that can be input/output to/from the secondary battery by applying correction using the correction coefficient;
Equipped with
a deterioration rate calculation unit that calculates a deterioration rate of an internal resistance of the secondary battery based on a current, a voltage, and a temperature flowing through the secondary battery;
the deterioration rate calculation unit determines that calculation of the deterioration rate is executable when a condition for accurately calculating the deterioration rate is met;
The battery control device according to claim 1, wherein the power limit value calculation unit suppresses the correction using the correction coefficient when the deterioration rate calculation unit determines that the calculation of the deterioration rate can be performed.
二次電池に関する測定値から求めた前記二次電池の状態と、前記二次電池に関するモデルを用いて演算した前記二次電池の状態との乖離に基づいて、補正係数を求める補正係数演算ステップと、
前記補正係数による補正を適用して前記二次電池の入出力可能な電力に関する値を演算する電力制限値演算ステップと
を含み、
前記二次電池に関する測定値から求めた前記二次電池の状態は、前記二次電池の電圧を測定して求めた実測電圧に基づく内部抵抗の電圧変化であり、
前記二次電池に関するモデルを用いて演算した前記二次電池の状態は、前記二次電池の電圧等価回路モデルを用いて求めたモデル電圧に基づく内部抵抗の電圧変化であり、
前記補正係数演算ステップは、前記実測電圧に基づく内部抵抗の電圧変化と前記モデル電圧に基づく内部抵抗の電圧変化との比率を前記補正係数として求めることを特徴とする電池制御方法。
The battery control device
a correction coefficient calculation step of calculating a correction coefficient based on a difference between a state of the secondary battery calculated from measurements of the secondary battery and a state of the secondary battery calculated using a model of the secondary battery;
a power limit value calculation step of calculating a value related to the power that can be input/output to/from the secondary battery by applying correction using the correction coefficient ;
the state of the secondary battery determined from the measurement value of the secondary battery is a voltage change of an internal resistance based on an actual measured voltage determined by measuring a voltage of the secondary battery;
the state of the secondary battery calculated using the model related to the secondary battery is a voltage change of an internal resistance based on a model voltage obtained using a voltage equivalent circuit model of the secondary battery;
The battery control method according to the present invention, wherein the correction coefficient calculation step obtains, as the correction coefficient, a ratio between a voltage change in internal resistance based on the actually measured voltage and a voltage change in internal resistance based on the model voltage .
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